軌道課程設(shè)計——無縫軌道設(shè)計

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文檔簡介

1、　　第一章簡介　　1.1設(shè)計目的和意義　　無縫線路設(shè)計應(yīng)根據(jù)線路、運營、氣候條件及軌道類型等因素進行軌道強度、穩(wěn)定性等檢算，并確定設(shè)計鎖定軌溫。設(shè)計鎖定軌溫是無縫線路設(shè)計的關(guān)鍵問題，涉及《軌道工程》這門課的主要理論。該設(shè)計目的是使學生更深入地掌握《軌道工程》基本理論（尤其是強度計算和溫度力計算理

2、論）和設(shè)計方法。　　1.2設(shè)計內(nèi)容　　1）收集資料，綜合分析。　　通過專業(yè)書籍及相關(guān)學術(shù)期刊的學習，了解無縫線路鋪設(shè)的意義及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀。并對路基上無縫線路設(shè)計的基本原理、方法及步驟有較清楚的了解。　　2）通過計算，確定路基上無縫

3、線路的允許降溫幅度。　　3）通過計算，確定路基上無縫線路的允許升溫幅度。　　4）通過計算，確定中和軌溫（即無縫線路設(shè)計鎖定軌溫）。　　5）通過計算，確定預留軌縫大小。　　6）給出路基上無縫線路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。　　第二章設(shè)計理論依

4、據(jù)　　2.1 無縫線路鎖定軌溫計算圖　　圖中揭示了該無縫線路設(shè)計的主要思路。中和軌溫應(yīng)根據(jù)當?shù)氐能墱貤l件（）和軌道允許的升溫幅度和降溫幅度來確定。此確定軌道允許的升溫幅度和降溫幅度是設(shè)計的關(guān)鍵。應(yīng)根據(jù)無縫線路的設(shè)計原則來確定。　　2.2無縫線路鋼軌強度檢算——確定允許降溫幅度<p&g

5、t;　　強度條件應(yīng)使作用在鋼軌上的各種應(yīng)力總合不超過鋼軌的允許應(yīng)力[]：　　式中：——鋼軌動彎應(yīng)力（Mpa），計算方法參見“軌道結(jié)構(gòu)力學分析”一章；　　——鋼軌溫度應(yīng)力（Mpa）；　　——鋼軌附加應(yīng)力（Mpa），如橋上的伸縮應(yīng)力和撓曲應(yīng)力、無縫道岔基本軌附加應(yīng)力、列車制動等引起的附加應(yīng)力等；本設(shè)計只考慮路基上由制

6、動引起的附加應(yīng)力，可??；　　——鋼軌允許應(yīng)力。　　因此允許的降溫幅度可由下式計算：　　式中：——鋼軌動彎應(yīng)力（Mpa），取拉應(yīng)力計算值。　　2.3穩(wěn)定性條件——確定允許的升溫幅度　　根據(jù)穩(wěn)定性

7、計算求得的允許溫度壓力后，可計算出允許的升溫幅度：　　式中：—— 附加壓力，本設(shè)計可取為零（N）。　　——軌道允許的最大溫度壓力；根據(jù)無縫線路穩(wěn)定性理論計算，采用“統(tǒng)一公式”。　　最后，與強度確定的允許升溫幅度比較，取最小值。　　2.4鎖定軌溫確定<

8、;/b>　　根據(jù)圖，鎖定軌溫計算如下：　　2.5預留軌縫的確定　　符號與下標表示：　　1――長軌　　2――短軌

9、　　λ′――夏天伸長量　　λ″――冬天縮短量　　長軌和短軌間：λ1′＋λ2′≤Δ≤δ0－（λ1″＋λ2″）　　短軌和短軌間：2λ2′≤Δ≤δ0－2λ2″&

10、lt;b>　　第三章設(shè)計參數(shù)　　3.1基本參數(shù)　　設(shè)計背景：鄭州地區(qū)南水北調(diào)與京廣鐵路交叉改線工程　　3.1.1線路專業(yè)(部分)　　鐵路等級：國鐵Ｉ級</p&g

11、t;　　牽引種類：電氣化　　機車類型：SS8　　最小曲線半徑：1200m　　設(shè)計時速：160km/h　　實際行車速度：120km/h

12、　　3.1.2軌道專業(yè) 　　改線鋪設(shè)有砟軌道，按重型軌道標準設(shè)計，鋪設(shè)區(qū)間無縫線路。為保證不中斷行車，采用換鋪法鋪設(shè)無縫線路。　　鋼軌：60Kg/m U71Mn百米定尺鋼軌，其標準符合TB/T2344-2003《43Kg/m～75Kg/m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》。屈服強度，鋼軌斷面對水平軸的慣性矩。<p&g

13、t;　　軌枕：Ⅲ型有擋肩混凝土枕（2.6m）,鋪設(shè)1667根/Km。 　　扣件：彈條Ⅱ型扣件。　　道床：路基為雙層碎石道床，面砟厚30cm,底砟20cm；橋上道床厚35cm。　　主要參考文獻：　　1、《軌道工程》高亮主編，中

14、國鐵道出版社；　　2、《鐵路軌道》谷愛軍主編，中國鐵道出版社；　　3、《鐵路無縫線路》廣鐘巖等，中國鐵道出版社；　　3.1.3計算相關(guān)的其他問題　　表3-1 附加速度系數(shù)　　表3-2 混凝土枕線路的初始彎曲</p&g

15、t;　　表3-3 我國常用機車類型的計算參數(shù)　　表3-4 橫向水平力系數(shù)f　　表3-5 等效道床橫向阻力（kN/m）　　表3-6 我國主要鋼種屈服強度（MPa）　　表3-7 有砟軌道鋼軌支座D值

16、表3-8 道床縱向阻力表　　動彎矩計算公式：　　當V≤120km/h時：　　當120km/h＜V≤160km/h時：　　當160km/h＜V≤200km/h時：　　3.2個

17、人條件參數(shù)　　軌溫根據(jù)學生所在地區(qū)選擇:　　以鄭州計算，最高軌溫63.0°C，最低軌溫-17.9°C，中間軌溫22.6°C。　　已知所用鋼軌為60kg/m。其基本數(shù)據(jù)為　　設(shè)計速度160km/h，實際運行速度120km/h

18、。故采用SS8型機車，參數(shù)如下：　　第四章計算設(shè)計過程　　4.1 SS8型機車輪載圖式　　4.2無縫線路鋼軌強度檢算（確定允許降溫幅度）　　4.2.1計算思路　　首先計算，參照軌道工程課本

19、166—167頁算例。首先計算靜載下鋼軌內(nèi)最大彎矩。而后通過計算速度系數(shù)α，偏載系數(shù)β，橫向水平力系數(shù)f，計算。　　4.2.2 計算剛比系數(shù)k　　根據(jù)表3-7查得D值　?。?）當D=33000N/mm、a=600mm時，　　（2）當D=80000N/mm、a=600mm時

20、，　　4.2.3 計算最大靜彎矩　　當機車的一個車輪壓在鋼軌計算截面上，除了該車輪對計算截面產(chǎn)生應(yīng)力、撓度外，還應(yīng)考慮鄰輪的影響。一般的將，當車輪計算截面5m以上時，這種影響可以略去不計。　　對于SS8電力機車，轉(zhuǎn)向架間距離為6.1m，超過5m，故不考慮各轉(zhuǎn)向架的相互影響。各輪載及轉(zhuǎn)向架各軸間距均相等，故只需取第

21、一轉(zhuǎn)向架進行計算。　　4.2.4 計算最大動彎矩　　SS8電力機車運行速度，查表3-1知：　　速度系數(shù)　　曲線半徑，取其未被平衡欠超高最大值，偏載系數(shù)為　　曲線半徑，查表3-4知，f=1.45

22、。　　4.2.5 確定強度條件允許降溫幅度　　其中，對于新軌　　4.2.6 根據(jù)鋼軌折斷時的斷縫確定允許降溫幅度　　查表3-8得，道床縱向阻力r=152N/cm。鋼軌斷縫限值為70mm。　　4

23、.3 穩(wěn)定性條件（確定允許升溫幅度）　　4.3.1 計算思路　　參照《軌道工程》課本253頁算例，首先計算各項系數(shù)，后經(jīng)過與的反復迭代，最終確定與，計算出，并依據(jù)安全系數(shù)K，得出　　4.3.2計算過程　?。?）參數(shù)選?。哼x用Ⅲ型混凝土

24、軌枕，1667根/km，查表3-5知，道床等效阻力Q為115N/cm。　　線路容許彎曲矢度，　?。?）換算曲率　　塑形初始彎曲半徑，　　（3

25、）， 　　a.第一次試算　　b.第二次試算　　c.第三次試算　　d.第四次試算

26、　　(4)計算[P]　　(4)計算允許升溫幅度　　4.4 中和軌溫確定　　最大允許升溫幅度　　最大允許降溫幅度，取最不利情況　　4.5

27、預留軌縫的確定　　軌枕選用Ⅲ型混凝土軌枕,1667根/km；接頭阻力PH取400kN，查表3-8知，單枕的道床縱向阻力為18.3kN。　　4.5.1 伸縮區(qū)長度計算　　4.5.2 預留軌縫計算　　利用excel表格計算較方便，詳見表4-1、4-2。

28、　　第五章編程與軟件計算　　以上各章通過手算與excel表格計算進行了設(shè)計，本章將通過有限元軟件MIDAS與C語言編程進行設(shè)計計算，經(jīng)過實踐驗證，可以大大提高計算效率。　　5.1 通過MIDAS軟件估算最大靜彎矩M0　　由于MIDAS中沒有現(xiàn)成的60軌斷面，因此截面尺寸取近似值。 <

29、/p>　　建模1　　建模2　　可以得到：　　與手算值誤差在5%以內(nèi)。　　5.2 利用C語言程序計算最大動彎矩Md（程序見附件）&l

30、t;/p>　　由程序算出的靜彎矩和動彎矩分別為：　　手算得到的靜彎矩和動彎矩分別為：　　二者的誤差極小約為0.03%，是由取值精度引起的。　　5.3長短鋼軌間軌縫計算　　輸入各項參數(shù)值：

31、　　當溫度為17°C是，緩沖區(qū)軌縫為11mm　　當溫度為18°C是，緩沖區(qū)軌縫為10mm　　當溫度為19°C是，緩沖區(qū)軌縫為10mm　　當溫度為20°C是，緩沖區(qū)軌縫為10mm　　當溫度為21°C是，

32、緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為22°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為23°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為24°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為25°C是，緩沖區(qū)軌縫為8mm

33、當溫度為26°C是，緩沖區(qū)軌縫為8mm　　當溫度為27°C是，緩沖區(qū)軌縫為8mm　　與excel表格的計算結(jié)果完全一致。　　5.4短鋼軌間軌縫計算　　輸入各項參數(shù)值：　　當

34、溫度為17°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為18°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為19°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為20°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為21°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm

35、;　　當溫度為22°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為23°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為24°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為25°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為26°C是，緩沖區(qū)

36、軌縫為9mm　　當溫度為27°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm　　當溫度為28°C是，緩沖區(qū)軌縫為9mm。　　第六章總結(jié)與收獲　　本次軌道工程課程設(shè)計，主要應(yīng)用章節(jié)為第五章、第七章，其中第五章部分應(yīng)用主要在于軌道輪載組合下動彎矩的計算，其余主要在第七章，但

37、是整個課設(shè)綜合運用了整本軌道工程的知識，各個章節(jié)都有涉獵，在完成過程中，需要不斷查找之前學習過的知識，每個環(huán)節(jié)的計算、分析都需要大量的時間，這與之前軌道工程課程的學習不夠認真有直接關(guān)系，課程設(shè)計是對整個課程的一個總結(jié)，也是一個查漏補缺的過程，通過此次課設(shè)，在軌道工程這門課程上也有了更加深刻的認識。　　課設(shè)的編程參考了C語言程序設(shè)計的一些計算實例，但是參數(shù)較多，如果只是用于一組參數(shù)的計算，顯得比較

38、拖沓，但是如果應(yīng)用于多組參數(shù)，則能較快完成任務(wù)。　　課程設(shè)計的檢查還需要經(jīng)過多次的比對，其中手算結(jié)果與程序計算結(jié)果相對應(yīng)，顯示了較高的可靠性。希望在以后的學習中，自己能再認真一些，不止為高效完成課設(shè)，也為了以后能多一些知識儲備。　　另外，在課程設(shè)計的過程中也發(fā)現(xiàn)了課本上的小錯誤或者表述不明確的地方，導致自己在課程設(shè)計的過程中花費了很多時間，但最終搞明白之

39、后還是很滿足的。例如課本167頁算例，其中cos(kx)中kx是弧度制，但是課本上并未表述，導致手算的時候用的角度，程序計算時用的弧度，使兩個結(jié)果出現(xiàn)了不一致，后來發(fā)現(xiàn)問題原因之后進行了改正，結(jié)果十分吻合。　　第七章附錄　　7.1 附錄1 最大動彎矩計算　　#inclu

40、de<stdio.h>　　#include<math.h>　　void main()　　{double D1,D2,a,u,u1,u2,k,k1,k2,E,Ix,M0,P0i,xi,x1,x2;　　printf("請輸入檢算鋼軌時鋼軌支

41、座剛度D1(N/mm):\n");　　scanf("%lf",&D1);　　printf("請輸入檢算軌下基礎(chǔ)時鋼軌支座剛度D2(N/mm):\n");　　scanf("%lf",&D2);<p&g

42、t;　　printf("請輸入鋼軌軌枕間距a(mm):\n");　　scanf("%lf",&a);　　printf("請輸入鋼軌彈性模量E(MPa):\n");　　scanf("%lf",&E);

43、　　printf("請輸入鋼軌截面慣性矩Ix(mm4):\n");　　scanf("%lf",&Ix);　　printf("請輸入機車的輪重P0i(N):\n");　　scanf("%lf",&P

44、0i);　　printf("請輸入機車的輪距(mm)xi:\n");　　scanf("%lf",&xi);　　u1=D1/a;　　x1=u1/(4*E*Ix);&

45、lt;p>　　k1=sqrt(sqrt(x1));　　u2=D2/a;　　x2=u2/(4*E*Ix);　　k2=sqrt(sqrt(x2));　　if (u1<u2) u=u1;

46、　　else u=u2;　　if (k1<k2) k=k1;　　else k=k2;　　M0=1/(4*k)*P0i*(1+exp(-k*xi)*(cos(k*xi)-sin(k*xi)));　　printf("鋼軌基礎(chǔ)彈性模量u1

47、=%7.2lfMPa\n",u1);　　printf("剛比系數(shù)k1=%7.8lfmm^-1\n",k1);　　printf("鋼軌基礎(chǔ)彈性模量u2=%7.2lfMPa\n",u2);　　printf("剛比系數(shù)k2=%7.8lfmm^-1\n"

48、;,k2);　　printf("靜彎矩最大值M0=%10.2lfN*mm\n",M0);　　double Vmax, ho,ao1,bo,Md,Rd,yd;　　printf("請輸入軌道允許的最高速度Vmax(km/h):\n");

49、　　scanf("%lf",&Vmax);　　printf("請輸入軌道的未被平衡超高值ho(mm):\n");　　scanf("%lf",&ho);　　ao1=0.6*Vmax/100;　　bo

50、=0.002*ho;　　Md=M0*(1+ao1+bo)*1.45;　　printf("鋼軌上的動彎矩為Md=%lfN*mm\n",Md);　　}　　7.2附錄2 長短軌縫計算<p&

51、gt;　　#include<stdio.h>　　#include<math.h>　　void main()　　{　　double T[11]={ 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27

52、},　　doublea,r,r2,E,F,w,pt1,pt2,pH,lc1,ld1,lc2,ld2,l1,l2,lg,Tmax,Tmin ,L;　　int i;　　printf("請輸入鋼軌截面面積F(mm2):\n");<

53、p>　　scanf("%lf",&F);　　printf("請輸入鋼軌軌枕間距a(mm):\n");　　scanf("%lf",&a);　　printf("請輸入鋼軌彈性模量E(MPa):\n");</p&

54、gt;　　scanf("%lf",&E);　　printf("請輸入單根軌枕縱向阻力r2(N):\n");　　scanf("%lf",&r2);　　printf("請輸入鋼軌的線膨脹系數(shù)α:\n"

55、);　　scanf("%lf",&w);　　printf("構(gòu)造軌縫ag(mm):\n");　　scanf("%lf",&lg);　　printf("請輸入鋼軌接頭阻力pH(N):\n&

56、quot;);　　scanf("%lf",&pH);　　printf("請輸入最高軌溫Tmax(℃):\n");　　scanf("%lf",&Tmax);　　printf("請輸入最低軌

57、溫Tmin(℃):\n");　　scanf("%lf",&Tmin);　　printf("請輸入標準軌的長度L(m):\n");　　scanf("%lf",&L);　　r=r2/(2*a

58、);　　for(i=0;i<11;i++){　　pt1=F*E*w*(T[i]-Tmin);　　lc1=(pt1-pH)*(pt1-pH)/(2*E*F*r);　　ld1=((pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);<p&

59、gt;　　pt2=F*E*w*(Tmax-T[i]);　　lc2=(pt2-pH)*(pt2-pH)/(2*E*F*r);　　ld2=((pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);　　l1=lg-lc1-ld1;　　l2=lc2+ld2;

60、　　printf("當溫度為%.0f℃鋼軌預留軌縫上限為%.0fmm\n",T[i],l1);　　printf("當溫度為%.0f℃鋼軌預留軌縫下限為%.0fmm\n",T[i],l2);　　}

61、}　　7.3附錄3 短軌縫計算　　#include<stdio.h>　　#include<math.h>　　void main()　　{</

62、p>　　double T[11]={ 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27},　　doublea,r,r2,E,F,w,pt1,pt2,pH,lc1,ld1,lc2,ld2,l1,l2,lg,Tmax,Tmin ,L;　　int i;&

63、lt;p>　　printf("請輸入鋼軌截面面積F(mm2):\n");　　scanf("%lf",&F);　　printf("請輸入鋼軌軌枕間距a(mm):\n");　　scanf("%lf",&a);<

64、/p>　　printf("請輸入鋼軌彈性模量E(MPa):\n");　　scanf("%lf",&E);　　printf("請輸入單根軌枕縱向阻力r2(N):\n");　　scanf("%lf",&

65、amp;r2);　　printf("請輸入鋼軌的線膨脹系數(shù)α:\n");　　scanf("%lf",&w);　　printf("構(gòu)造軌縫ag(mm):\n");　　scanf("%lf"

66、;,&lg);　　printf("請輸入鋼軌接頭阻力pH(N):\n");　　scanf("%lf",&pH);　　printf("請輸入最高軌溫Tmax(℃):\n");　　scanf(&quo

67、t;%lf",&Tmax);　　printf("請輸入最低軌溫Tmin(℃):\n");　　scanf("%lf",&Tmin);　　printf("請輸入標準軌的長度L(m):\n");

68、;　　scanf("%lf",&L);　　r=r2/(2*a);　　for(i=0;i<11;i++){　　pt1=F*E*w*(T[i]-Tmin);　　lc1=((pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);</p&g

69、t;　　ld1=((pt1-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);　　pt2=F*E*w*(Tmax-T[i]);　　lc2=((pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);　　ld2=((pt2-pH)*L-r*L*L/4)/(2*E*F);<

70、;p>　　l1=lg-lc1-ld1;　　l2=lc2+ld2;　　printf("當溫度為%.0f℃鋼軌預留軌縫上限為%.0fmm\n",T[i],l1);　　printf("當溫度為%.0f℃鋼軌預留軌縫下限為%.0fmm\n",T[i],l2);</p&g

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